在對OpenFlow協議有了一定了解以后，開始嘗試如何通過Ryu控制器實現網絡中的通信。根據協議，我們知道，當數據信息首次傳輸到交換機時，由於交換機不存在該數據信息所對應的流表，因此，會觸發PacketIn消息，即交換機會將數據信息打包后，通過相應的交換機-控制器的專用通道將數據信息描述之后，傳輸給控制器，控制器在對數據包進行解析之后，根據相應的邏輯(基於底層網絡協議)，給交換機添加相應的流表，在這之后，數據包會根據新添加的流表傳輸給下一個交換機或者目的地址。
下面給出相應的交互流程：
從圖中可以看到，左邊的PC,假設為h1，右邊為h2。首先，下方的控制器與交換機進行了hello以及switch_features兩個事件消息的交換，這是交換機與控制器在初始階段就要做的，與當前是否有數據通過交換機不相關，通過這兩個消息事件的處理，控制器能知道交換機的特征信息，這是OpenFlow協議內的部分內容，基礎的交互順序在我之前寫的OpenFlow協議中有提到過。然后呢，當數據從h1發往h2的時候，在通信的初始階段，由於交換機中並沒有添加相應的流表以及對應的主機h2的地址，因此，交換機這個時候並不知道該數據要發往哪里，這個時候，就會觸發Packet_in消息，這個消息只在相應的數據包到達某台交換機時觸發的。然后控制器通過過數據的解析，得出該數據包要發往的方向，給交換機添加相應的流表，出發add_flow事件，這個時候，數據包就可以通過添加的流表，走向h2了。
在知道具體的通信原理之后，就可以撰寫代碼實現，無環路下的主機之間的通信了，這里，最具有代表性的就是ryu自帶的app中的simple_switch_13.py文件了，以下是該文件的代碼：
1 from ryu.base import app_manager #繼承ryu.base.app_manager 2 from ryu.controller import ofp_event #繼承ryu.controller.ofp_event 3 from ryu.controller.handler import CONFIG_DISPATCHER, MAIN_DISPATCHER #繼承ryu.controller.handler.CONFIG_DISPATCHER, MAIN_DISPATCHER 4 from ryu.controller.handler import set_ev_cls #繼承ryu.controller.handler.set_ev_cls 5 from ryu.ofproto import ofproto_v1_3 #繼承ryu.ofproto.ofproto_v1_3 6 from ryu.lib.packet import packet #繼承ryu.lib.packet.packet 7 from ryu.lib.packet import ethernet #繼承ryu.lib.packet.ethernet 8 from ryu.lib.packet import ether_types #繼承ryu.lib.packet.ether_types+63652020 9 10 class SimpleSwitch13(app_manager.RyuApp): 11 OFP_VERSIONS = [ofproto_v1_3.OFP_VERSION] #用於指定OpenFlow的版本，這里指定OpenFlow的版本為1.3版 12 #定義版本以后，mac_to_port也已經被指定 13 #初始化環境變量 14 def __init__(self, *args, **kwargs): 15 super(SimpleSwitch13, self).__init__(*args, **kwargs) 16 self.mac_to_port = {} 17 18 #Event Handler是一個擁有事件物件(Event Object)作為參數 19 #並使用"ryu.controller.handler.set_ev_cls"來修飾decorator函數 20 #set_ev_cls用於指定事件類別得以接受訊息和交換機狀態作為參數 21 #時間類別命名名稱的規則為ryu.controller.ofp_event.EventOFP + <OpenFlow訊息名稱> 22 #如Packet-in訊息的狀態下的時間為EventOFPPacketIn 23 24 #部分名稱的作用 25 #ryu.controller.handler.HANDSHAKE_DISPATCHER 交換HELLO信息 26 #ryu.controller.handler.CONFIG_DISPATCHER 接收SwitchFeatures訊息 27 #ryu.controller.handler.MAIN_DISPATCHER 一般狀態 28 #ryu.controller.handler.DEAD_DISPATCHER 連線中斷 29 @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPSwitchFeatures, CONFIG_DISPATCHER) 30 def switch_features_handler(self, ev): 31 datapath = ev.msg.datapath #此訊息用於存儲OpenFlow交換機的ryu.controller.controller.Datapath類別所對應的實體 32 ofproto = datapath.ofproto 33 parser = datapath.ofproto_parser 34 35 #ev.msg是用來存儲對應事件的OpenFlow訊息類別實體。在這個例子中，則是ryu.ofproto.ofproto_v1_3_parser.OFPSwitchFeatures 36 #Datapath類別是用來處理OpenFlow交換機的重要訊息，例如執行與交換機的通信和觸發接收訊息的事件 37 38 match = parser.OFPMatch() #為了match所有封包，需要產生一個空的match 39 actions = [parser.OFPActionOutput(ofproto.OFPP_CONTROLLER, 40 ofproto.OFPCML_NO_BUFFER)] 41 #為了將封包轉送到Controller連接埠，OFPActionOutput類別的實例也會被產生 42 #指定OFPP_Controller為封包目的地 43 #設定OFPCML_NO_BUFFER為max_len以便接下來的封包傳送 44 self.add_flow(datapath, 0, match, actions) 45 #設定Table-miss Flow Entry的優先權為0(最低優先權) 46 #然后執行add_flow()方法以發送Flow Mod訊息 47 48 #交換機本身不僅僅使用Switch features訊息， 49 #還使用事件處理以取得新增Table-miss Flow Entry的時間點 50 #Table-miss Flow Entry的優先權為0(最低優先權),而且此Entry可以match所有的封包 51 #這個Entry的Instruction通常指定為output action 52 53 #定義add_flow()函數，用於新增Flow Entry 54 def add_flow(self, datapath, priority, match, actions, buffer_id=None): 55 ofproto = datapath.ofproto 56 parser = datapath.ofproto_parser 57 58 inst = [parser.OFPInstructionActions(ofproto.OFPIT_APPLY_ACTIONS, 59 actions)] 60 #APPLY_ACTIONS是用來設定那些必須立即執行的action所使用的 61 62 if buffer_id: 63 mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, buffer_id=buffer_id, 64 priority=priority, match=match, 65 instructions=inst) 66 else: 67 mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, priority=priority, 68 match=match, instructions=inst) 69 #OFPFlowMod類別中參數的預設值 70 #datapath：openflow交換機以及flow table的操作都是通過datapath類別的實體來進行。 71 #在一般的情況下，會由事件傳遞給事件管理的訊息中取得，如Packet-In 72 #cookie(0): controller所設定存儲的資料，在Entry的更新或者刪除時所需要使用的資料存放地 73 #並作為過濾器使用，而且不可以作為封包處理的參數 74 #cookie_mask()：Entry的更新或刪除時，若是該值為非零，則作為指定Entry的cookie使用 75 #table_id(0)：使用Flow Entry的Table ID 76 #idle_timeout：flow entry 的有效期限，以秒為單位 77 #hard_timeout：flow entry的有效期限，但在超過時間限后不會重新歸零計算 78 #priority：優先權，值越大，優先權限越高 79 #out_put(0)：OFPFC_DELETE 和 OFPFC_DELETE_STRICT 命令用來指定輸出位置的參數。 80 #命令為 OFPFC_ADD、 OFPFC_MODIFY、OFPFC_MODIFY_STRICT 時可以忽略。 81 #若要制定無效，指定輸出為OFPP_ANY 82 #out_group(0)：與上相同，作為一個輸出位置，但是轉到特定的group，若無效，使用OFPG_ANY 83 84 85 #通過FlowMod訊息將Flow Entry新增到Flow table中 86 datapath.send_msg(mod) 87 #使用OFPFlowMod所產生的實體通過datapath,send_msg()來發送訊息至交換機 88 89 #Packet-In事件接收處理位置目的地的封包 90 @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPPacketIn, MAIN_DISPATCHER) 91 #OFPPacketIn類別的常用屬性 92 #match: ryu.ofproto.ofproto_v1_3_parser.OFPMatch類別的實體，用來存儲接收封包的meta訊息 93 #data：接收封包本身的binary資料 94 #tatal_len：接收封包的資料長度 95 #buffer_id：接受封包的內容。 96 #若存在OpenFlow交換機上時所指定的ID，如果在沒有buffer的狀態下，則設定ryu.ofproto.ofproto_v1_3.OFP_NO_BUFFER 97 98 #更新MAC地址表 99 def _packet_in_handler(self, ev): 100 # If you hit this you might want to increase 101 # the "miss_send_length" of your switch 102 if ev.msg.msg_len < ev.msg.total_len: 103 self.logger.debug("packet truncated: only %s of %s bytes", 104 ev.msg.msg_len, ev.msg.total_len) 105 msg = ev.msg 106 datapath = msg.datapath 107 ofproto = datapath.ofproto 108 parser = datapath.ofproto_parser 109 in_port = msg.match['in_port'] 110 #從OFPPacketIn類別的match得到接收埠(in_port)的訊息。 111 #目的MAC地址和來源MAC地址分別使用Ryu的封包函數庫，從接收到封包的Ethernet header取得 112 113 pkt = packet.Packet(msg.data) 114 eth = pkt.get_protocols(ethernet.ethernet)[0] 115 116 if eth.ethertype == ether_types.ETH_TYPE_LLDP: 117 return 118 dst = eth.dst 119 src = eth.src 120 121 dpid = datapath.id 122 #是同datapath.id來確認MAC地址表和每個交換機之間的識別來應對連接到多個OpenFlow交換機 123 self.mac_to_port.setdefault(dpid, {}) 124 125 self.logger.info("packet in %s %s %s %s", dpid, src, dst, in_port) 126 127 # learn a mac address to avoid FLOOD next time. 128 self.mac_to_port[dpid][src] = in_port 129 #借此得知目的MAC地址表和來源MAC地址，更新MAC地址表 130 131 132 if dst in self.mac_to_port[dpid]: 133 out_port = self.mac_to_port[dpid][dst] 134 else: 135 out_port = ofproto.OFPP_FLOOD 136 137 actions = [parser.OFPActionOutput(ofproto.OFPP_IN_PORT)] 138 #判斷轉送封包的連接埠 139 #若目的MAC地址存在於MAC地址表，則判斷該連接埠的號碼作為輸出 140 #反之若不存在MAC地址表 141 #則ActionOutput類別的屍體並生成flooding(OFPP_FLOOD)給目的連接埠使用 142 143 #轉送封包 144 #在MAC位置表中找尋目的MAC地址，若有則發送Packet-in訊息，並轉送封包 145 # install a flow to avoid packet_in next time 146 if out_port != ofproto.OFPP_FLOOD: 147 match = parser.OFPMatch(in_port=in_port, eth_dst=dst) 148 # verify if we have a valid buffer_id, if yes avoid to send both 149 # flow_mod & packet_out 150 if msg.buffer_id != ofproto.OFP_NO_BUFFER: 151 self.add_flow(datapath, 1, match, actions, msg.buffer_id) 152 return 153 else: 154 self.add_flow(datapath, 1, match, actions) 155 data = None 156 if msg.buffer_id == ofproto.OFP_NO_BUFFER: 157 data = msg.data 158 159 out = parser.OFPPacketOut(datapath=datapath, buffer_id=msg.buffer_id, 160 in_port=in_port, actions=actions, data=data) 161 datapath.send_msg(out) 162 163 #buffer_id：指定openflow交換機上封包對應的緩沖區，若不需要，則指定為OFP_NO_BUFFER 164 #in_port：制定接收到的連接埠號，如果不想使用，就制定為OFPP_CONTROLLER
通過對該代碼進行分析，我們可以得到核心的內容，就是，代碼中的mac_to_port{}字典，是我們進行路由的依據，它記錄了數據包在網絡中傳輸時，經過的交換機的dpid、源目mac地址以及對應的in_port以及out_port的端口號。數據的路由，就是依據它來采取相應的轉發action的。
此外，在對sdn網絡進行基礎的實驗的時候，我們會遇到傳統網絡中最容易遇到的一個問題，網絡風暴。這個問題的產生，是由於數據包在網絡中的arp廣播產生的，對網絡的帶寬、資源的占有具有很大的損害。
如何解決這個問題，是我們實現環形網絡正常通信，所需要面對的基礎問題之一。
在此之前，我參考了李呈大神寫的arp代理http://www.sdnlab.com/2318.html ，但是，發現這個代碼無法正常的在我的環境下運行。不過，他的思路，卻給了我很大的啟發，結合simple_switch中的代碼，我發現，如果單一的實現換路通信，其實只需要在數據包到達每個交換機，進行mac學習的時候，判斷當前mac_to_port字典中是否存在過相應的交換機信息，若存在，則判斷其進入端口是否相同，若不相同，則發生環路風暴，對該數據包進行丟包操作，這樣就能做到環路中的正常通信。附上相應的代碼：
1 from ryu.base import app_manager 2 from ryu.controller import ofp_event 3 from ryu.controller.handler import CONFIG_DISPATCHER, MAIN_DISPATCHER 4 from ryu.controller.handler import set_ev_cls 5 from ryu.ofproto import ofproto_v1_3 6 from ryu.lib.packet import packet 7 from ryu.lib.packet import ethernet 8 from ryu.lib.packet import tcp 9 from ryu.lib.packet import ether_types 10 from ryu.lib.packet import arp 11 12 class ARP_PROXY_13(app_manager.RyuApp): 13 OFP_VERSIONS = [ofproto_v1_3.OFP_VERSION] 14 15 def __init__(self, *args, **kwargs): 16 super(ARP_PROXY_13, self).__init__(*args, **kwargs) 17 self.mac_to_port = {} 18 19 @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPSwitchFeatures, CONFIG_DISPATCHER) 20 def switch_features_handler(self, ev): 21 datapath = ev.msg.datapath 22 ofproto = datapath.ofproto 23 parser = datapath.ofproto_parser 24 25 match = parser.OFPMatch() 26 actions = [parser.OFPActionOutput(ofproto.OFPP_CONTROLLER, 27 ofproto.OFPCML_NO_BUFFER)] 28 self.add_flow(datapath, 0, match, actions) 29 30 def add_flow(self, datapath, priority, match, actions, buffer_id=None): 31 ofproto = datapath.ofproto 32 parser = datapath.ofproto_parser 33 34 inst = [parser.OFPInstructionActions(ofproto.OFPIT_APPLY_ACTIONS, 35 actions)] 36 37 if buffer_id: 38 mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, buffer_id=buffer_id, 39 priority=priority, match=match, 40 instructions=inst) 41 else: 42 mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, priority=priority, 43 match=match, instructions=inst) 44 datapath.send_msg(mod) 45 46 #mac learning 47 def mac_learning(self, datapath, src, in_port): 48 self.mac_to_port.setdefault((datapath,datapath.id), {}) 49 # learn a mac address to avoid FLOOD next time. 50 if src in self.mac_to_port[(datapath,datapath.id)]: 51 if in_port != self.mac_to_port[(datapath,datapath.id)][src]: 52 return False 53 else: 54 self.mac_to_port[(datapath,datapath.id)][src] = in_port 55 return True 56 57 @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPPacketIn, MAIN_DISPATCHER) 58 def _packet_in_handler(self, ev): 59 msg = ev.msg 60 datapath = msg.datapath 61 ofproto = datapath.ofproto 62 parser = datapath.ofproto_parser 63 in_port = msg.match['in_port'] 64 65 pkt = packet.Packet(msg.data) 66 67 eth = pkt.get_protocols(ethernet.ethernet)[0] 68 69 if eth.ethertype == ether_types.ETH_TYPE_LLDP: 70 match = parser.OFPMatch(eth_type=eth.ethertype) 71 actions = [] 72 self.add_flow(datapath, 10, match, actions) 73 return 74 75 if eth.ethertype == ether_types.ETH_TYPE_IPV6: 76 match = parser.OFPMatch(eth_type=eth.ethertype) 77 actions = [] 78 self.add_flow(datapath, 10, match, actions) 79 return 80 81 dst = eth.dst 82 src = eth.src 83 dpid = datapath.id 84 85 86 self.logger.info("packet in %s %s %s %s", dpid, src, dst, in_port) 87 self.mac_learning(datapath, src, in_port) 88 89 if dst in self.mac_to_port[(datapath,datapath.id)]: 90 out_port = self.mac_to_port[(datapath,datapath.id)][dst] 91 else: 92 if self.mac_learning(datapath, src, in_port) is False: 93 out_port = ofproto.OFPPC_NO_RECV 94 else: 95 out_port = ofproto.OFPP_FLOOD 96 97 actions = [parser.OFPActionOutput(out_port)] 98 99 if out_port != ofproto.OFPP_FLOOD: 100 match = parser.OFPMatch(in_port=in_port, eth_dst=dst) 101 if msg.buffer_id != ofproto.OFP_NO_BUFFER: 102 self.add_flow(datapath, 10, match, actions, msg.buffer_id) 103 return 104 else: 105 self.add_flow(datapath, 10, match, actions) 106 107 data = None 108 if msg.buffer_id == ofproto.OFP_NO_BUFFER: 109 data = msg.data 110 out = parser.OFPPacketOut(datapath=datapath, buffer_id=msg.buffer_id, 111 in_port=in_port, actions=actions, data=data) 112 datapath.send_msg(out)
重點在mac learning這個模塊的代碼，根據這個代碼，就可以實現網絡的環路通信。